DE2655077A1

DE2655077A1 - Vier-quadranten-stromreglerschaltung mit impulsbreitenmodulation

Info

Publication number: DE2655077A1
Application number: DE19762655077
Authority: DE
Inventors: Holger Krohn
Original assignee: Indramat GmbH
Current assignee: Rexroth Indramat GmbH
Priority date: 1976-12-04
Filing date: 1976-12-04
Publication date: 1978-06-29
Also published as: FR2373098B1; DE2655077C3; FR2373098A1; IT1088389B; DE2655077B2; US4146827A; JPS5391311A

Description

3.12.1976 Akte 121.538

Vier-Quadranten-Stromreglerschaltung mit Impulsbreitenmodulation

Die Erfindung betrifft eine Vier-Quadranten-Strornreglerschaltung mit Impulsbreitenmodulation, insbesondere zur Steuerung und Regelung von Gleichstrommotoren bis ca. Io kW. In bekannter Weise werden derartige Schaltungen sowohl mit Transistoren als auch mit löschbaren Thyristorventilen ausgeführt. Löschbare Thyristorventile sind sehr aufwendig aus mehreren Thyristoren,Kapazitäten, Diolen und Umschwingdrosseln mit hohen Anforderungen zusammengebaut und werden deshalb erst bei Leistungen eingesetzt, die mit Transistoren nicht mehr erbracht werden können. Aber auch die bekannten reinen Transistorschaltungen sind infolge des hohen Kostenanteiles der Leistungstransistoren sehr aufwendig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vier-Quadranten-Stromreglers chaltung nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1, die ohne Funktionsbeeinträchtigung einen einfachen Auf bail aufweist.

Nach der Erfindung wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 erreicht. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der sclialtungstechnxsche Aufbau der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.

Die Vier-Quadranten-Stromreglerschaltung weist die beiden Brückenzweige 1, 2 mit den Thyristoren ThI, Th2 bzw. Th3, Th4 auf. In den beiden Brückenzweigen ist die zu regelnde Gleichstrommaschine M mit Induktivität L angeordnet. Die beiden Brückenzweige sind auf der Anodenseite über den gemeinsamen Verknüpfungspunkt 3, die Leitung 4 sowie den Transistor Tl mit dem positiven Strompfad 5 der Gleichstromquelle 6 verbunden und auf der Kathodenseite sind die beiden Brückenzweige über den gemeinsamen Verknüpfungspunkt 7, die Leitung 8 sowie den Transistor T2 und den Widerstand Rl mit dem negativen Strompfad 9 der Gleichstromquelle verbunden. Die gleichzeitige Ansteuerung der Transistoren Tl, T2 erfolgt über den Transformator TrI, die gleichzeitige Ansteuerung der in dem Brückenzweig 1 angeordneten Thyristoren ThI, Th2 erfolgt über den Transformator Tr2 und die gleichzeitige Ansteuerung der im Brückenzweig 2 angeordneten Thyristoren Th3,Th4 erfolgt über den Transformator Tr3. Die Primärseite des Transformators TrI steht über die Leitung Io mit dem Ausgang des Komparators A3 in Verbindung, die Primärseite des Transformators Tr2 steht über die Leitung 11 mit dem Ausgang des Und-Verknüpfungsgliedes 12 und die Primärseite des Transformators Tr3 steht über die Leitung 13 mit dem Ausgang des Und-Verknüpfungsgliedes 14 in Verbindung. Der eine Eingang der Und-Verknüpfungsglieder 12,14 steht über die Leitung 15 mit dem Ausgang des Verzögerungsgliedes 16 in Verbindung, dessen Eingang über den Leitungsabschnitt 15a

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mit dem Ausgang des Komparators A3 in Verbindung steht. Der zweite Eingang eier Ünd-Verknüpfungsglieder steht über die Leitungen 17, 18 mit den Ausgängen des D-Flipflops 19 in Verbindung. Der vorbereitende Eingang des D-Flipflops steht über die Leitung 2o mit dem Ausgang des Polaritätsdetektors P in Verbindung und der Eingang des Letzteren steht über den Leitungsabschnitt 2oa mit dem Ausgang des Stromreglers A2 in Verbindung, dessen Ausgangssignal das Differenzsignal aus dem vorgegebenen Strom-Sollwert und dem an der Meßstelle beider Antriebsmaschine abgenommenen und über die Leitung 21 der Summenstelle S2 des Komparators A2 zugeführten Strom-Istwert bildet. Das Ausgangs-

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signal des Stromreglers / wird neben dem Polaritätsdetektor P über die Leitung 22 dem Gleichrichter G und von dort der Summenstelle S3 des Komparators A3 zugeführt, an der das Dreiecksignal des Dreieckgenerators GE über die Leitung 24 zugeführt ist. Der Summenstelle S3 ist ferner über die Leitung 25 mit Diode 26 ein negatives Sperrsignal zuführbar, um bei Überschreiten eines vorgegebenen zulässigen Stromes in den Strompfaden 1, 2 den Strom-

damit auch fluß durch Schließen der Transistoren Tl, T2 sowie/der Thyristoren ThI...Th4 zu unterbrechen. Das Sperrsignal bildet das Ausgangssignal des Komparators A4,an dessen Summenstelle S4 der zulässige Sollwert J vorgegeben ist,sowie die Istwert-Signale an beiden Seiten des Widerstandes Rl über die Leitungen 28, 29 zugeführt sind. Das auslösende Eingangssignal des D-Flipflops wird von dem einen Ausgangssignal des Dreiecksgenerators gebildet und über die Leitung 3ο ,"dem D-Flipflop zugeführt. Die Brücken-Eingangs-Thyristoren ThI, Th3 werden von den beiden Freilaufdioden Dl, D3 über die Leitungen 32, 33 in Verbindung mit der mit dem anderen Strom-

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to

pfad 9 verbundenen Leitung 34 überbrückt und die Brücken-Ausgangs-Thyristoren Th2, Th4 von den beiden Dioden D2, D4 über die Leitungen 35, 36 in Verbindung mit der mit dem Strompfad 5 verbundenen Leitung 37.

Die Wirkungsweise der Stromreglerschaltung ist folgende: Die an der Summenstelle S2 des Stromreglers Ά2 vorgegebene Polarität J ,, bestimmt die Stromflußrichtung durch den Motor M. Die Ausgangspolarität des Stromreglers A2 wird von dem Polaritätsdetektor P erfaßt und als Schaltsignal dem D-Flipflop zugeleitet und damit •dessen Schaltzustand vorbereitet. Je nach dem Schaltzustand des D—Flipflöps werden die Taktpulse des Generators GE über die Leitungen 17 oder 18 entweder dem Und-Verknüpfungspunkt 12 oder 14 zugeführt. Das Ausgangssignal· des Stromreglers A2 wird nach Gleichrichtung durch den Gleichrichter G der Summenstelle S3 des !Comparators A3 zugeführt und dort mit dem Signal des Dreiecksgenerators GE verglichen und damit ein dem Absolutwert des Ausgangssignals am Stromregler A2 in der Dauer proportionales Schaltsignal erzeugt. Das impulsbreitenmodulierte Ausgangssignal des Komparators 3 wird so der Primärseite des Transformators TrI zugeführt und von dort über dessen Sekundärseite den beiden Transistoren Tl und T2, so daß diese öffnen. Das Ausgangssignal des Komparators 3 wird gleichzeitig über das Verzögerungsglied 16 den Und-Verknüpfungsgliederη 12, 14 zugeführt und vom D-Flipflop angesteuerten Ünd-Verknüpfungsglied weiter ^rzür Primärseite des Transformators Tr2 oder Tr3,je nach dem, '■welches Ünd-Verknüpfungsglied vom D-Flipflop angesteuert worden ist. Von der Sekundärseite des betreffenden Transformators werden schließlich die Thyristoren ThI, -Th2 des einen Brückenzweiges oder die Thyristoren Th3, Th4 des anderen Brückenzweiges gezündet.

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Durch die gegenüber der Öffnung der Transistoren verzögerte Zündung der Thyristoren fallen an den Transistoren keine Einschal tverIuste an. Es verbleiben also im Vergleich zu reinen . Transistorbrücken nur die Abschaltverluste. Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt dadurch eine höhere Ausnutzung der Transistoren als in einer Transistorbrücke.

Durch die Taktung des Flipflops vom Dreiecksgenerator wird eine Verriegelung erreicht, die eine Umschaltung zur Zündung des jeweils anderen Thyristorenpaares nur während der Sperrphasen der Transistoren erlaubt. Auf diese Weise werden Kurzschlüsse, die durch die Zündung aller vier Thyristoren entstünden, ausgeschlossen.

Sobald die Dauer des die Transistoren öffnenden und die Thyristoren zündenden Signals abgelaufen ist, schließen die Transistoren. Damit sind die Strompfade 4 und 8 der Stromquelle zu den beiden Brückenzweigen 1, 2 unterbrochen. Der nun von der Induktivität L weiterhin fließende Strom nimmt seinen Weg je nach Stromflußrichtung entweder über die Freilaufdiode D2 oder D4 zurück zum Strompfad 5 und über die Spannungsquelle 6 weiter zum Strompfad 9 und über die Freilaufdioden Dl oder D3 zurück zur Induktivität L des Motors. Durch diesen die Transistoren und Thyristoren

die
umgehenden Stromfluß werden/Thyristoren stromlos und sperren. Mit Beginn der nächsten öffnungsphase der Transistoren werden die Thyristoren, wie bereits erläutert, wieder gezündet und damit leitend gemacht, so daß das Arbeitsspiel von neuem ablaufen kann. Der an der Meßstelle m abgenommene Istwert des Stromes wird der Summenstelle S2 des Stromreglers zugeführt. Das aus dem

vorgeb'enen Sollwert und dem zugeführten Istwert des Stromes sich ergebende Differenzsignal bildet das Ausgangssignal des Stromreglers Λ2, das nach Durchtritt durch den Gleichrichter G der Summenstelle S3 des Komparators 3 als Stellsignal zugeführt wird und damit d.ie jeweilige Impulsbreite des Signals für die Ansteuerung der Transistoren und Thyristoren festlegt. Wird der Istwert größer als der Sollwert, kehrt sich die Polarität des Ausgangssignals des Stromreglers um und damit auch die Schaltsteilung des Flipflops, so daß in der nächsten Öffnungsphase der Transistoren die im anderen Brückenzweig liegenden Thyristoren gezündet werden. Dadurch ergibt sich während der nächsten Öffnungsphase der Transistoren und Thyristoren eine umgekehrte Spannungsrichtung am Motor M und der Induktivität L, was wiederum eine entsprechende Umkehrung der zeitlichen Änderung des Stromes während dieser Zeit nach sich zieht.

Da wie aus dem vorstehenden ersichtlich, während der Sperrphase der Transistoren der Strom über Motor M, Induktivität L und Freilaufdioden Dl und D2 oder D3 und D4 in die Spannungsquelle 6 zurückfließt, steht während dieser Zeit die Quellenspannung der jeweiligen Stromflußrichtung entgegen. D.h., der Strom wird während dieser Phase in Richtung einer Stromverringerung beeinflußt. Die vorbeschriebene Steuerbarkeit der Spannungsbeaufschlagung über Motor M und Induktivität L in Dauer und Richtung während der Öffnungsphase der Transistoren und Thyristoren im Zusammenhang mit der grundsätzlichen Gegenspannungsbeaufschlagung während der Sperrphase der Transistoren, erlaubt die Steuerung in Polarität und Größe beliebiger Spannungsmittelwerte bis zur Höhe der Quellen-

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spannung. Damit ist die Regelung des Motorstromes in Richtung und Größe,ungeachtet dessen, ob der Motor beim generatorischen Betrieb mit seiner EMK den Stromfluß unterstützt oder beim motorischen Betrieb mit seiner EMK dem Stromfluß entgegenwirkt, möglich.

Die Induktivität L wird in Abstimmung auf die vom Sägezahngenerator GE bestimmte Schaltfrequenz so gewählt, daß der Strom während eines Schaltzykluses nur eine im Verhältnis zum Nennstrom geringe Veränderung erfährt. Dadurch fließt über den Motor trotz der impulsweisen Spannungsbeaufschlagung ein nahezu glatter Gleichstrom. Schnelle Stromänderungen sind durch die Wahl einer hohen Schaltfrequenz (^125oHz) möglich.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

. J Vier-Quadranten-Stromreglerschaltunc)- rait Glelchspannungsverzögerung und Impulsbreitenraodulation und unter Verwendung von Thyristoren in den Brückenzweigen, insbesondere zur Steuerung und Rege3.ung von Gleichstrommotoren gekennzeichnet durch je einen zyklisch gesteuerten Transistor (Tl, T2) als Schalter im positiven und negativen Strompfad (4,8) und Freilaufdioden (Dl, D2, D3, D4) zum Zurückleiten des Brückenstromes direkt in die Gleichspannungsquelle (6) unter Umgebung der Transistoren (Tl, T2) und Thyristoren (ThI, Th2, Th.3, Th4) während der Sperrphase der Transistoren.
2. Vier-Quadränten-Stromreglerschaltung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch verzögerte Zündung der Thyristoren gegenüber dem Öffnen der Transistoren.
3. Vier-Quadranten-Stromreglerschaltung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Verknüpfung der Ansteuerung für die Thyristoren mit der Steuerung für die Transistoren, die ein Umschalten zur Zündung des jeweils anderen Thyristorenpaares nur in der Sperrphase der Transistoren zuläßt.

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ORfGIiSiAL INSPECTED
4. Vier-Quadranteri-StromrnglerschalLung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dem einen Strompfad (5) zugeordneten beiden Thyristoren (ThI, Th3) über je eine Freilaufdiode (Dl _r D3) zu dem anderen Strompfad (9) überbrückt sind und ebenso die der« anderen Strompfad (9) zugeordneten beiden Thyristoren (Th2, Th4) über je eine Freilaufdiode (D2_r D4) zu dem ersteren Strompfad (5) überbrückt sind»
5. Vier-Quadranten-Stromreglerschaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das den Transistoren und Thyristoren zuzuführende gemeinsame Steuersignal (Io, 15a) den Thyristoren über ein Verzögerungsglied (16) zuzuführen ist, und zwar für jeden der beiden Brückenzweige über je ein Und-Verknüpfungsglied (12, 14), wobei ein zweiter Eingang (17, 18) der ünd-Verknüpfungsglieder mit je einem Ausgang eines D-Plipflops (19) in Verbindung steht, dessen vorbereitendes Eingangssignal (2o) ein vom Differenzsignal· aus dem So^-Istwertvergleich des Stromes angesteuerter Polaritätsdetektor (P) liefert und das auslösende Eingangssignal (3o) des D-Flipflops die Impulse eines Dreiecksgenerators (GE) liefern, dessen Dreieckssignal gleichzeitig das Vergleichssignal (24) mit dem Differenzsignal· aus dem So^-Istwert-Vergleich des Stromes bildet.

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